寬范圍高精度電子槍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張昊煒 王勝利 李德明 黃建鳴

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

電子槍是產(chǎn)生電子束流的裝置，最常用的兩極槍結(jié)構(gòu)由發(fā)射電子的陰極和引出電子的吸極構(gòu)成。柵控的三極電子槍是在兩極槍的基礎(chǔ)上，在靠近陰極處增加用于控制電子束的第三極柵極。相對(duì)于調(diào)控陰極溫度或吸極電壓的方式，用柵極電壓來(lái)調(diào)控電子束流，調(diào)節(jié)精度更高響應(yīng)時(shí)間更快。柵極的常用結(jié)構(gòu)是由柵絲構(gòu)成的正交、輪輻等形狀的柵網(wǎng)［1-4］，也有少量柵極使用柵孔［5-6］。柵極上加相對(duì)于陰極的負(fù)電位用于調(diào)節(jié)和截止電子束，或者加相對(duì)于陰極的正電位用于增強(qiáng)引出電子束的能力［2，7-9］。

電子槍經(jīng)常用于微波電子器件、影像分析、輻照、焊接和加速器等領(lǐng)域［10-14］，對(duì)電子槍?xiě)?yīng)用的研究經(jīng)常集中在以下幾個(gè)方向，包括直流小量級(jí)束流、在直流小量級(jí)基礎(chǔ)上依靠脈沖來(lái)獲得寬范圍量級(jí)束流和強(qiáng)流直流窄范圍甚至單一狀態(tài)的使用，對(duì)寬范圍使用直流的電子槍很少有研究涉及。

“空間環(huán)境地面模擬裝置”是“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，項(xiàng)目中使用加速器產(chǎn)生不同的粒子束來(lái)模擬空間粒子輻射。本研究基于其子項(xiàng)目“低能電子加速器及束線”，在原有加速器二極槍的基礎(chǔ)上添加了控制柵極，通過(guò)研究電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)對(duì)引出束流的影響，研制出束流調(diào)節(jié)范圍寬、精度高且連續(xù)可調(diào)的直流電子槍?zhuān)蔀殡娮訕尯罄m(xù)的加速段提供高品質(zhì)的電子束。

1 電子槍系統(tǒng)的仿真研究

電子槍主要由柵板、陰極、柵極、吸極等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中陰極燈絲是由鎢絲繞成盤(pán)蚊香形，形成半徑4 mm的平面發(fā)射面，通過(guò)延長(zhǎng)的兩腳固定在燈絲夾上，與槍壓板外的陰極電極相連。熱陰極本身具有足夠的發(fā)射能力，因此柵極選用結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的柵孔，同時(shí)柵極只加負(fù)電位，用于調(diào)節(jié)和截止電子束，降低了對(duì)柵極電源的要求，系統(tǒng)更穩(wěn)定。筒狀的吸極引出電子，并讓電子束通過(guò)以供后續(xù)加速段使用。

圖1 電子槍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of electron gun system

CST Studio Suite是一款基于有限積分法的三維電磁仿真軟件［15］，其子模塊CST Particle Studio用于計(jì)算帶電粒子與電磁場(chǎng)相互作用，它的電子槍求解器計(jì)算帶有空間電荷效應(yīng)的電磁場(chǎng)和粒子軌跡。基于電子槍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在CST中建立模型，如圖2剖面圖所示，其中主要可調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)的初始值如表1所示，設(shè)置Z向?yàn)榉ㄏ蜻吔鐥l件、X向、Y向?yàn)榍邢蜻吔鐥l件，陰極發(fā)射模型為帶空間電荷限流的熱發(fā)射模型，運(yùn)行電子槍求解器就可得到仿真的束流軌跡。

圖2 電子槍模型Fig.2 Model of electron gun

表1 電子槍參數(shù)初始值Table 1 Initial value of electron gun parameter

1.1 電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

為了優(yōu)化電子槍的結(jié)構(gòu)，對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，主要包括柵孔半徑大小、柵極陰極距離、吸極陰極距離。在相同的初始條件下，將柵極孔徑半徑大小從2.6 mm以步長(zhǎng)0.1 mm調(diào)整至3.4 mm時(shí)，引出束流強(qiáng)度的變化如圖3所示，隨著柵孔半徑的增大，其及其負(fù)電位對(duì)發(fā)射出的電子阻礙越小，引出的束流強(qiáng)度越大；將柵極陰極距離從0.8 mm以步長(zhǎng)0.1 mm調(diào)整至1.6 mm時(shí)，引出束流強(qiáng)度的變化如圖4所示，柵極陰極的距離越大，能突破柵極負(fù)電位封鎖的電子越少，引出的束流強(qiáng)度就越小；將吸極陰極距離從25 mm以步長(zhǎng)5 mm調(diào)整至45 mm時(shí)，引出束流強(qiáng)度的變化如圖5所示，吸極距陰極的距離越遠(yuǎn)，對(duì)柵極孔內(nèi)電子的引出能力就越弱，引出的束流強(qiáng)度越低。

圖3 柵極孔徑與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between grid aperture and beam current

圖4 柵極陰極距離與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between grid-cathode distance and beam current

圖5 吸極陰極距離與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between puller-cathode distance and beam current

1.2 50 mA束流強(qiáng)度的仿真設(shè)計(jì)

本文所研究的電子槍擬用于輻照加速器作為電子源，束流在被引出電子槍后還要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的加速管漂移段，最終在加速管末端形成小束斑，即在電子槍出口應(yīng)獲得接近平行的束流。同時(shí)，柵極負(fù)電位和吸極正電位在柵極開(kāi)孔處形成了一個(gè)會(huì)聚場(chǎng)，在吸極筒入口處形成一個(gè)發(fā)散場(chǎng)，束流在出柵極口后會(huì)聚形成束腰，再發(fā)散進(jìn)入吸極筒，即一種過(guò)聚再發(fā)散的狀態(tài)，所以仿真設(shè)計(jì)就是找到相互配合的槍參數(shù)使束流不過(guò)于會(huì)聚或發(fā)散。

通過(guò)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)出能夠引出50 mA束流、不明顯會(huì)聚或發(fā)散、接近平行的電子槍?zhuān)壽E圖、相圖和主要參數(shù)如圖6、表2所示。使用PBGUNS（Particle Beam GUN Simulation）軟件進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)果相似，電勢(shì)圖、束流軌跡圖和相圖見(jiàn)圖7。

圖6 50 mA束流的軌跡圖(a)和相圖(b)Fig.6 Trajectory(a)and phase diagram(b)of 50 mA beam

表2 電子槍參數(shù)優(yōu)化值Table 2 Optimal value of electron gun parameter

圖7 PBGUNS仿真的電勢(shì)分布、軌跡(a)和相圖(b)Fig.7 Potential distribution,trajectory(a)and phase diagram(b)simulated by PBGUNS

2 電子槍系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 電子槍實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了實(shí)際測(cè)試用于加速器的高精度寬范圍直流電子槍?zhuān)罱穗娮訕寣?shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電子槍實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［16］主要由電源系統(tǒng)、電子槍、加速管、測(cè)量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成（圖8）。電子槍固定于加速管上方負(fù)高壓端，所使用的負(fù)高壓電源的參數(shù)為-40 kV/500 mA。220 V的交流電經(jīng)100 kV隔離變壓器給置于負(fù)高壓平臺(tái)上的各電源供電。0～220 V的交流電經(jīng)燈絲變壓器后給電子槍的陰極燈絲供電，燈絲變壓器的參數(shù)：輸入220 V/2 A，輸出5 V/40 A；柵極上加負(fù)電壓進(jìn)行束流調(diào)節(jié)和截止，柵極電源的參數(shù)為-1 kV/10 mA；筒狀的吸極固定在加速管的第一電極上，吸極電源的參數(shù)為30 kV/5 mA。

圖8 電子槍實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.8 Schematic diagram of electron gun experimental platform

通過(guò)測(cè)量束流強(qiáng)度和束流密度分布得到電子槍引出電子束的品質(zhì)。束流強(qiáng)度由接在加速管后方的法拉第筒測(cè)得，采用掃描絲法可測(cè)量50 mA束流的束流密度分布。平臺(tái)中使用的掃描絲測(cè)量裝置置于法拉第筒前加速管四通之中，由電機(jī)帶動(dòng)金屬絲橫向掃過(guò)加速管下端，束流打在金屬絲上形成的電流通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成電壓，測(cè)量電壓就可得到束流密度分布信息。真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和分子泵等組成，可保證實(shí)驗(yàn)時(shí)的真空度處于10-4Pa量級(jí)。

高壓平臺(tái)上的各電源由傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊進(jìn)行控制；為了隔離高壓，TCP模塊通過(guò)光纖與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；通過(guò)由Visual C++開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。

實(shí)驗(yàn)中保持加速管高壓-20 kV不變，以保證束流最終能量不變。調(diào)試時(shí)將陰極初級(jí)加熱電壓作為粗調(diào)，同時(shí)把柵極負(fù)電壓細(xì)調(diào)以保證調(diào)節(jié)精度和快速響應(yīng)。調(diào)試時(shí)使束流不過(guò)聚再發(fā)散、得到好的束流品質(zhì)是實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)。由于電子槍是1 μA～50 mA寬范圍使用，各量級(jí)束流狀態(tài)不同，在最終確定槍結(jié)構(gòu)時(shí)需要對(duì)各量級(jí)束流品質(zhì)做出權(quán)衡，同時(shí)需要優(yōu)先保證大量級(jí)束流的品質(zhì)。

2.2 電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

通過(guò)更換不同開(kāi)孔半徑的柵極片調(diào)整柵極孔徑大小。圖9給出的是柵孔孔徑半徑在3 mm、3.5 mm和4 mm時(shí)，引出的束流強(qiáng)度隨陰極初級(jí)加熱電壓的變化情況。從圖9可以看出，在相同陰極初級(jí)加熱電壓下，4 mm柵孔引出的束流強(qiáng)度最大，3.5 mm和3 mm依次減小，與仿真得到的規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

圖9 不同柵極孔徑時(shí)陰極初級(jí)加熱電壓與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.9 Relationship between cathode primary heating voltage and beam current with different grid aperture radius

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變柵極陰極間絕緣片的厚度調(diào)整柵極陰極距離。表3給出的是相同的條件下，引出的束流強(qiáng)度隨柵極陰極距離的變化情況，與仿真規(guī)律相符。

表3 柵極陰極距離與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Table 3 Relationship between grid-cathode distance and beam current

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變電子槍與加速管間墊塊的厚度調(diào)整吸極陰極距離。表4給出的是相同條件下，引出的束流強(qiáng)度隨吸極陰極距離的變化情況，與仿真規(guī)律相符。

表4 吸極陰極距離與引出束流強(qiáng)度的關(guān)系Table 4 Relationship between puller-cathode distance and beam current

2.3 調(diào)試結(jié)果與分析

與仿真情況類(lèi)似，實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)結(jié)構(gòu)下電子槍引出的束流處于發(fā)散狀態(tài)。依照實(shí)驗(yàn)規(guī)律對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、電參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)，以求電子槍能引出高品質(zhì)的電子束流。

經(jīng)過(guò)大量調(diào)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)做出權(quán)衡后，得到在柵孔半徑為3 mm、柵極陰極距離為1.15 mm、吸極陰極距離在22 mm、吸極電壓為12.5 kV時(shí)，使用陰極初級(jí)加熱電壓作為粗調(diào)、柵極電壓作為細(xì)調(diào)，電子槍能夠引出1 μA～50 mA高品質(zhì)電子束，當(dāng)柵極電壓為-750 V時(shí)，能將束流完全截止。圖10展示了引出10 mA、30 mA和50 mA束流強(qiáng)度時(shí)，用掃描絲測(cè)量裝置得到的束流密度分布，其縱坐標(biāo)為電壓，橫坐標(biāo)為寬度。圖11展示出陰極初級(jí)加熱電壓分別為82.28 V、97.24 V和150.48 V時(shí)，引出束流強(qiáng)度隨柵極電壓的關(guān)系。

圖10 10 mA(a)、30 mA(b)、50 mA(b)束流密度分布Fig.10 Beam density distribution of 10 mA(a),30 mA(b),50 mA(c)beam

圖11 陰極加熱初級(jí)電壓設(shè)置為82.28 V(a)、97.24 V(b)、150.48 V(c)時(shí)柵極電壓與束流強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.11 Relation curves between grid voltage and beam current when cathode primary heating voltage setting at 82.28 V(a),97.24 V(b),150.48 V(c)

所選取的電子槍最終結(jié)構(gòu)優(yōu)先保證了10～50 mA束流的束流品質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中存在其他結(jié)構(gòu)引出的10 mA及以下束流的束流品質(zhì)優(yōu)于當(dāng)前結(jié)構(gòu)，但出于大流強(qiáng)束流品質(zhì)、燈絲工作溫度等考慮，仍最終選取當(dāng)前結(jié)構(gòu)。小流強(qiáng)的束流也可以由較大流強(qiáng)通過(guò)狹縫等限流措施得到。

CST非專(zhuān)用電子槍設(shè)計(jì)軟件，其仿真能夠體現(xiàn)電子槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)對(duì)引出束流品質(zhì)的影響規(guī)律，但引出1 μA～50 mA束流時(shí)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)與電子槍的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)存在偏差。

仿真中更近的柵極陰極距離電子槍引出束流的品質(zhì)更好，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，較近的柵極陰極距離會(huì)使柵極受熱變形，嚴(yán)重時(shí)與柵板、陰極接觸造成短路。

3 結(jié)語(yǔ)

按照輻照加速器提出的要求，在原有二極電子槍基礎(chǔ)上增加了控制極柵極，仿真研究了柵極孔徑大小、柵極陰極距離、吸極陰極距離改變時(shí)對(duì)引出束流強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)出了引出50 mA束流的仿真電子槍。在電子槍實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了前述結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)的規(guī)律，最終確定的結(jié)構(gòu)能夠使電子槍引出1 μA～50 mA直流束流、有較高的束流品質(zhì)、能夠使用-750 V柵極電壓截止，同時(shí)用陰極初級(jí)加熱電壓作為粗調(diào)、柵極電壓作為細(xì)調(diào)的方式也能保證精度。所做研究為三極槍直流寬范圍使用提供了經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)輻照加速器建造和調(diào)試打下基礎(chǔ)。

下一步的工作計(jì)劃選擇耐更高溫度的柵極材料，比如鉬，減小柵極陰極距離，電子槍有可能引出更好品質(zhì)的束流。

作者貢獻(xiàn)聲明張昊煒：負(fù)責(zé)模型建立與數(shù)據(jù)分析整理，起草論文；王勝利：指導(dǎo)論文寫(xiě)作結(jié)構(gòu)與論文的修改；李德明：協(xié)助起草和修改論文；黃建鳴：統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)裝置。